具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

首先对本发明实施例附图中的符号名称进行说明：

u₁表示导抗网络输入电压；i₁表示导抗网络输入电流；u₂表示导抗网络输出电压；i₂表示导抗网络输出电流；U_in表示充电器输入电压；C_in表示充电器输入侧滤波电容；S₁-S₄表示构成移相全桥逆变器的第一开关管-第四开关管；u_s表示变压器副边电压；i_s表示变压器副边电流；D₁-D₄表示构成集中整流器的第一二极管-第四二极管；U_B表示锂电池包电压；α表示移相全桥逆变器的移相角；U_Bref表示锂电池包电压的基准值；U_Bf表示锂电池包电压的反馈值；U_Be表示锂电池包电压的误差值；D表示移相全桥逆变器的占空比；R_B表示包等效内阻；k_o表示充电电流比占空比的大小；k_u表示锂电池包电压反馈系数；U_Bo表示锂电池包开路电压；n₁表示三绕组变压器第二绕组对第一绕组的匝比；n₂表示三绕组变压器第三绕组对第一绕组的匝比；U_B1-U_B4表示第一锂电池单元-第四锂电池单元的电压；C₁-C₄表示第一电容-第四电容；U_C1-U_C4表示第一电容-第四电容的电压；i_f1-i_f4表示第一电容-第四电容的电流；D₅-D₁₂表示均压器中第五二极管-第十二二极管；U_sp表示电压u_s在正半周期内电压值；U_sn表示电压u_s在负半周期内电压值；W₁-W₃表示三绕组变压器中的第一绕组-第三绕组。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种基于导抗网络的带均压功能的电池充电装置或充电器，包括：

依次连接的逆变电路、导抗网络和变压器；所述变压器的原边与导抗网络连接，变压器的副边包括两个绕组，其中一绕组与整流电路连接，另一绕组与均压电路连接，所述整流电路和均压电路分别与电池组连接；

当电池组内各电池单元电压均衡时，均压电路不工作，由整流电路对所述各电池单元充电；当所述各电池单元之间的SOC不一致时，均压电路中与电压最低的电池单元对应的均压模块工作，各电池单元之间的SOC一致时，再由整流电路对所述各电池单元充电。

本实施例中，导抗网络可以实现一个二端口的输入与输出之间的导纳与阻抗的转换，并且它还能实现电压源与电流源之间的转换，输入电压源经过导抗网络后变成幅值成比例、相位滞后设定角度的输出电流源。典型的LCL-T导抗网络如图1所示。

图1中，令L₁＝L₂＝L，则u₁、u₂、i₁和i₂之间的关系为：

如果电压u₁的频率等于导抗网络的谐振频率，即：

式(1)可以简化成：

其中，

Z₀为谐振阻抗。可以看出导抗网络的输出电流i_p与输入电压u₁严格的呈现线性关系，并且相位滞后90°，也就是说，电流i_p的大小与后面所接负载大小无关。因此输入电压源经过导抗网络后变成了幅值成比例、相位滞后90°的输出电流源。假设保证u_p和i_p同相位，则u₁与i₁也能保证同相关系。将这一特性应用在充电器中，可保证变压器原副边的逆变桥交流侧功率因数都为1，将有效降低器件的电流应力并提高效率。

一般充电器由两级电路构成，前级为AC/DC电路实现功率因数校正(PFC)功能，后级为DC/DC电路实现充电的恒流恒压控制。

本实施例仅研究充电器的后级DC/DC部分。基于LCL-T导抗网络的充电器主电路如图2所示，其主要的工作波形如图3所示，可以看出，导抗网络的输入、输出侧分别连接到S₁-S₄构成的逆变器交流侧、以及D₁-D₄构成整流器的交流侧，根据导抗网络的基本特性，逆变器与整流器的交流侧都可以获得单位功率因数，保证了相同功率情况下开关器件的电流应力较低，从而提升充电器的效率。而且充电器中的全部开关管均可以实现零电压开关，二极管的换流均发生在电流为零时刻，进一步降低了系统的损耗，提升了效率。

图3中，令充电器运行的占空比D

根据占空比的大小以及导抗网络输入输出的电压电流关系，得到电压u₁、u₂，电流i₁、i₂的基波大小。

电流i₂经变压器后整流，得到充电电流平均值为：

参数设计的基本原则是：在输入电压最低时(此时D＝0.5)，保证电池充电电流的最大值，根据该原则，得到

由式(4)、(8)就可以确定导抗网络中电感与电容的大小。

根据上述分析，可以得出一种简单的充电器控制策略，如图5所示。由于导抗网络的输出电流具有电流源特性，根据式(7)分析得到的结果可知，输入电压不变的情况下，改变占空比以改变U_{1_b}的大小可控制充电电流的大小。因此，保证一个上限占空比D_max(对应电池充电的最大电流)，就可以实现对电池的恒流充电，即不需要再增加电流环专门对电流进行控制。图5中，R_B为电池的等效内阻，U_Bo是电池开路电压，k_u为电压反馈系数，k_o为充电电流比占空比的大小，由式(7)得到：

在充电电流达到其最大值时，如果电池电压还未达到其基准值U_oref(即恒压充电值)，则控制框图中的限幅器工作，限制占空比的大小，以保证充电电流在安全范围，此阶段即为恒流充电阶段；当电池电压达到U_oref时，占空比D逐渐减小，对应充电电流也逐渐减小，此阶段电池处于恒压充电阶段。

虽然图2所示充电器具有效率高、控制简单的特征，但大功率电池储能系统均由小的电池单元串并联而成，如锂电池18650/26650等，电池单元存在特性差异引起SOC不一致时，充电过程中，某些单元SOC＝1时，检测到的参数表示整个电池包参仍需继续充电，就可能会造成SOC＝1的单元过充从而损坏单元。因此对于多单元构成的电池包，充电器需要有均压功能实现各单元的均压，保证各单元充电状态一致，避免个别单元过充电现象的发生。为此，提出一种可实现电池单元均压充电的充电器拓扑，如图5所示。

为清晰显示均压充电器的结构，图5中仅给出了四个电池单元组成的电池包结构。可以看出，均压器包含与电池单元数量相等的整流模块，如果各电池单元SOC一致，则各个整流模块同时工作；如果各电池单元SOC不一致，则仅输出电压最低的电池单元工作。

每个整流模块包括一个隔直电容与一个倍压整流器；所述倍压整流器包括两个串联连接的二极管，隔直电容的一端连接在两个二极管之间，另一端并联连接其他隔直电容；各个倍压整流器的二极管串联连接。

电流i_s波形近似一个正弦，如果4个电池单元SOC一样，那么4个整流器将同时工作，4个电池单元各自实现充电电流的1/4；如果单元间的SOC不一致，输出电压最低单元对应的整流器将工作，其余3个整流器不工作。以单元B₂电压最低时为例，均压器一个开关周期内分两个模态，分别对应电流i_s(＝i₂/n₂)的正半周与负半周，如图6、图7所示。

假设电压u_s的电压幅值为U_s，上述两个模态下列写回路方程，得

由此可得到隔直电容C₂上的电压，同样可以得到其他隔直电容上的电压值如式(11)所示。

正半周期(模态1)

电流i_s由负变正以后，均压器中二极管D₅、D₇、D₉、D₁₁有导通趋势，如D₅、D₇、D₉、D₁₁均导通，则图5中a、b、c、d点对零电位(变压器的异名端)的电压分别为

式中，U_DF为二极管的压降，考虑电容C₁、C₂、C₃、C₄电压的平均值，如D₅、D₇、D₉、D₁₁分别导通，则电压u_S在模态1时的值分别为

负半周期(模态2)

同理可以得到模态2时，

根据式(14)、(15)，得到模态1/模态2均压器的等效电路如图8、图9所示。

由图8、图9所示等效电路，就可以得出如下结论：电压最低的电池单元对应的整流器将工作，电能优先对电压最低的电池单元充电，从而使得各电池单元SOC一致；在电池单元电压完全一致的情况下，各单元的充电电流应相等。

虽然图5所示的均压充电器可以实现各电池单元的均压充电，但目前电池单元的电压还比较低，如锂电池单元为3.7V，考虑到整流二极管0.5-0.8V的导通压降，充电器的效率将很低。为此，本实施例进一步结合图2所示的充电器与图5所示的均压器，提出带均压功能的电池充电器，拓扑如图10所示，包含移相全桥逆变器、导抗网络、三绕组变压器、集中整流器、锂电池包以及均压器。

导抗网络包括第一电感、第二电感、导抗电容，第一电感的一端连接到移相全桥逆变器的第一交流端，第一电感的另一端与第二电感的一端、导抗电容的一端连接在一起；三绕组变压器包括三个绕组，分别为第一绕组、第二绕组、第三绕组；第二电感的另一端与三绕组变压器第一绕组的同名端连接，三绕组变压器第一绕组的异名端与导抗电容的另一端、移相全桥逆变器的第二交流端连接在一起；

集中整流器包含四个二极管，分别是第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管；锂电池包包含四个锂电池单元，分别为第一锂电池单元、第二锂电池单元、第三锂电池单元、第四锂电池单元；

均压器包含四个电容与八个二极管，四个电容分别为第一电容、第二电容、第三电容、第四电容，八个二极管分别为第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管、第十一二极管、第十二二极管；第一二极管的阳极、第二二极管的阴极、三绕组变压器第二绕组的同名端连接在一起，第三二极管的阳极、第四二极管的阴极、三绕组变压器第二绕组的异名端连接在一起；第一二极管的阴极、第三二极管的阴极、第一锂电池单元的正极、第五二极管的阴极连接在一起，第二二极管的阳极、第四二极管的阳极、第四锂电池单元的负极、第十二二极管的阳极连接在一起；三绕组变压器第三绕组的同名端、第一电容的负极、第二电容的负极、第三电容的正极、第四电容的正极连接在一起，三绕组变压器第三绕组的异名端、第八二极管的阳极、第九二极管的阴极、第二锂电池单元的负极、第三锂电池单元的正极连接在一起；第一电容的正极、第五二极管的阳极、第六二极管的阴极连接在一起，第六二极管的阳极、第七二极管的阴极、第一锂电池单元的负极、第二锂电池单元的正极连接在一起，第二电容的正极、第七二极管的阳极、第八二极管的阴极连接在一起，第三电容的负极、第九二极管的阳极、第十二极管的阴极连接在一起，第十二极管的阳极、第十一二极管的阴极、第三锂电池单元的负极、第四锂电池单元的正极连接在一起，第四电容的负极、第十一二极管的阳极、第十二二极管的阴极连接在一起。

图10所示带均压功能的充电器，实现的思路是：当电池单元电压均衡时，均压器不工作，充电仅由D₁-D₄构成的集中整流器完成，对各电池单元实现串联结构的充电；当电池单元之间出现SOC不一致情况时，均压器中电压最低的电池单元对应的倍压整流器工作，待电池单元之间SOC接近一致时，再转由集中整流器工作。

假设各电池单元SOC一致，单元端电压均为U_B，如果集中整流器单独工作，则三绕组变压器第二绕组W₂的幅值为

|U_s1|＝2U_DF+4U_B (15)如果均压器单独工作，则三绕组变压器第二绕组W₃的幅值为

|U_s2|＝U_DF+0.5U_B (16)

以12V额定电压的锂电池单元为例，充电电压范围设定在10.8-14.4V，在充电电压范围内，如均压器与集中整流器单独工作，根据变压器的变比，将电压均折算到变压器第二副边绕组，对应的曲线如图11-图14所示。图11为4个电池单元电压一致时，(n₂/n₁)|U_s1|与|U_s2|的波形，可以看到，随着单元电压的增加，两波形单调增加，设计变压器的变比使得(n₂/n₁)|U_s1|始终小于|U_s2|，在单元充电电压最大电压值时，两者相等。根据变压器副边电压相互钳位的原理，线圈电压较低对应的整流器工作，体现在电路中运行的情况是：单元电压相等的情况下，整个充电过程均由集中整流器进行充电，而均压器在整个充电过程中不工作。图12给出了3个单元电压相等，而第4个单元电压低△U_b(＝0.1V)的情况，可以看出，两条曲线在均压器起始工作电压U_bx1处相交，在电压小于U_bx阶段，集中整流器工作，而在电压大于均压器起始工作电压(U_bx1)后，均压器工作，给电压偏低的单元单独充电，使得较低电压的单元的电压迅速与其他单元的电压相等，从而使充电器回到图11所示的情况。图13给出了3个单元电压相等，而第4个单元电压低△U_b(＝0.2V)的情况，可以看出，均压器工作对应的均压器起始工作电压降低(U_bx2<U_bx1)，在充电阶段中，均压器工作阶段提前。需要说明的是，图12、图13中，曲线的交点处均压器起始工作电压只代表均压器工作的起始电压，不代表该电压后的整个电压范围内均压器一直工作，在电池单元均压实现后，均压器停止工作，集中整流器又重新开始工作。图14为一个电池单元低于其他3个单元电压为△U_b时，均压器起始工作电压U_bx的变化曲线，可以看到，随着单元间电压差异的增加，均压器起始工作电压U_bx变得越来越小，那么电池单元在充电过程中越早得到均压。

根据上述分析，同理可以得到图10所示的集中整流器+均压器的等效电路如图15所示。由于正负半周期对称，图15给出了电流i_s在正半周内的等效电路。图中的二极管D、D₅、D₇、D₉、D₁₁分别对应集中整流器、第1单元整流模块、第2单元整流模块、第3单元整流模块、第4单元整流模块单独工作。由于集中整流器工作时的电压需要折算到变压器的第二副边，因此对应的等效电压中均加上了二极管的导通压降，等效电压最低所对应的整流模块工作。

本实施例公开的基于导抗网络的带均压功能的锂电池充电器，采用集中整流器与均压器不能同时工作的这一特征，在锂电池单元存在电压差异时均压器工作，实现锂电池单元之间的均压以保护整个锂电池包安全运行；在锂电池单元之间无电压差异时，集中整流器工作，保证了充电器的高效运行，即本发明公开的基于导抗网络的带均压功能的锂电池充电器实现了高效充电与电池保护的统一。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种电动汽车储能电池充电器，包括了实施例一所述的基于导抗网络的带均压功能的电池充电装置。

在另一些实施方式中，公开了一种基于新能源的微电网储能电池充电器，包括了实施例一所述的基于导抗网络的带均压功能的电池充电装置。

实施例三

在一个或多个实施方式中，公开了一种基于导抗网络的带均压功能的电池充电方法，包括：

当电池组内各电池单元电压均衡时，直接通过整流电路对所述各电池单元充电；

当所述各电池单元之间的SOC不一致时，首先通过均压电路为电压最低的电池单元充电，直到各电池单元的SOC一致；然后再由整流电路对所述各电池单元充电。

通过导抗网络使得逆变电路与整流电路的交流侧均获得单位功率因数；并且，电池充电装置内的开关元件均实现零电压开关，二极管的换流均发生在电流为零的时刻。

上述方法的具体实现过程已经在实施例一中进行了说明，此处不再赘述。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。